JP7552145B2 - Silica sol, method for producing silica sol, polishing composition, polishing method, and method for producing semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、シリカゾル、シリカゾルの製造方法、研磨組成物、研磨方法、半導体ウェハの製造方法及び半導体デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a silica sol, a method for producing a silica sol, a polishing composition, a polishing method, a method for producing a semiconductor wafer, and a method for producing a semiconductor device.
金属や無機化合物等の材料の表面を研磨する方法として、研磨液を用いた研磨方法が知られている。中でも、半導体用のプライムシリコンウェハやこれらの再生シリコンウェハの最終仕上げ研磨、及び、半導体デバイス製造時の層間絶縁膜の平坦化、金属プラグの形成、埋め込み配線形成等の化学的機械的研磨(CMP)では、その表面状態が半導体特性に大きく影響するため、これらの部品の表面や端面は、極めて高精度に研磨されることが要求されている。 Polishing methods using polishing liquids are known as a method for polishing the surfaces of materials such as metals and inorganic compounds. In particular, in the final polishing of prime silicon wafers for semiconductors and reclaimed silicon wafers, as well as in chemical mechanical polishing (CMP) for planarizing interlayer insulating films during semiconductor device manufacturing, forming metal plugs, forming embedded wiring, and the like, the surface condition has a significant effect on the semiconductor characteristics, so the surfaces and end faces of these components must be polished with extremely high precision.
このような精密研磨においては、シリカ粒子を含む研磨組成物が採用されており、その主成分である砥粒として、コロイダルシリカが広く用いられている。コロイダルシリカは、その製造方法の違いにより、四塩化珪素の熱分解によるもの(ヒュームドシリカ等)、水ガラス等の珪酸アルカリの脱イオンによるもの、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応(一般に「ゾルゲル法」と称される)によるもの等が知られている。 In such precision polishing, polishing compositions containing silica particles are used, and colloidal silica is widely used as the abrasive grains, which are the main component. Colloidal silica is known to be produced by different manufacturing methods, such as by thermal decomposition of silicon tetrachloride (fumed silica, etc.), by deionization of alkali silicate such as water glass, and by hydrolysis and condensation reactions of alkoxysilanes (commonly known as the "sol-gel method").
シリカ粒子を含むシリカゾルの製造方法に関し、これまで多くの検討がなされてきた。例えば、特許文献1~3には、アルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応により製造されたシリカゾルが開示されている。 Many studies have been conducted on methods for producing silica sols containing silica particles. For example, Patent Documents 1 to 3 disclose silica sols produced by hydrolysis and condensation reactions of alkoxysilanes.
アルコキシシランの加水分解反応・縮合反応により製造されたシリカゾルは、各種化合物を配合して研磨組成物として研磨に用いられる。この研磨組成物は、配合する化合物の種類や量によってpHが変化し、pH次第でシリカ粒子が凝集・沈降してしまう等、シリカ粒子の分散状態に悪影響を与え、更には研磨に悪影響を及ぼすという課題を有する。
中でも、強酸性の研磨組成物は、pHにより研磨が促進される一方で、シリカ粒子の凝集により研磨に悪影響を及ぼすため、研磨性能が必ずしも十分とは言えなかった。
Silica sol produced by hydrolysis and condensation of alkoxysilane is mixed with various compounds to be used as a polishing composition for polishing. The pH of this polishing composition changes depending on the type and amount of the compounds mixed, and depending on the pH, silica particles may aggregate or settle, adversely affecting the dispersion state of the silica particles and further adversely affecting polishing.
Among these, strongly acidic polishing compositions promote polishing depending on the pH, but have adverse effects on polishing due to aggregation of silica particles, and therefore their polishing performance is not necessarily sufficient.
このような課題を解決するため、シリカゾルの等電点のpHを下げる処理を行うことが考えられる。
しかしながら、特許文献1~2に開示されているアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応により製造されたシリカゾルは、シリカゾルの等電点のpHを下げる処理が行われておらず、研磨組成物を強酸性とした際に、シリカ粒子が凝集し、研磨に悪影響を及ぼすという課題を有する。
また、特許文献3に開示されているアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応により製造されたシリカゾルは、加熱によりシリカゾルの等電点のpHが下がっている可能性があるものの、シリカ粒子が長鎖状に連結しているため研磨ムラの原因となりやすい。また、加熱前後でシリカ粒子の2次構造が大きく変化するため、シリカ粒子の分散状態に悪影響を与え、研磨に悪影響を及ぼすという課題を有する。
In order to solve such a problem, it is conceivable to carry out a treatment to lower the pH of the isoelectric point of the silica sol.
However, the silica sols produced by the hydrolysis and condensation reactions of alkoxysilanes disclosed in Patent Documents 1 and 2 do not undergo treatment to lower the pH of the isoelectric point of the silica sol, and therefore have the problem that when the polishing composition is made strongly acidic, the silica particles aggregate, adversely affecting polishing.
In addition, the silica sol produced by the hydrolysis and condensation reactions of alkoxysilanes disclosed in Patent Document 3 may have a lowered pH at the isoelectric point of the silica sol by heating, but the silica particles are linked in a long chain shape, which is likely to cause uneven polishing. In addition, the secondary structure of the silica particles changes significantly before and after heating, which has a problem of adversely affecting the dispersion state of the silica particles and adversely affecting polishing.
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、シリカ粒子の分散状態を維持した強酸性の研磨組成物を得ることができるシリカゾルを提供することにある。また、本発明のもう1つの目的は、加熱前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化が少ない、シリカ粒子の分散状態を維持した強酸性の研磨組成物を得ることができるシリカゾルの製造方法を提供することにある。更に、本発明のもう1つの目的は、強酸性としてもシリカ粒子の分散状態を維持することができ、研磨性能に優れる研磨組成物、並びに、前記研磨組成物を用いた研磨方法及び半導体デバイスの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a silica sol that can provide a strongly acidic polishing composition that maintains the dispersed state of silica particles. Another object of the present invention is to provide a method for producing a silica sol that can provide a strongly acidic polishing composition that maintains the dispersed state of silica particles and has little change in the average primary particle diameter, average secondary particle diameter, cv value, and association ratio of silica particles before and after heating. Still another object of the present invention is to provide a polishing composition that can maintain the dispersed state of silica particles even in a strongly acidic state and has excellent polishing performance, as well as a polishing method and a method for producing a semiconductor device using the polishing composition.
従来のシリカゾルは、研磨組成物として用いた場合、特に、強酸性の研磨組成物として用いた場合に、シリカ粒子の分散状態に悪影響を与え、研磨に悪影響を及ぼすという課題を有していた。しかしながら、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、シリカ粒子の会合比及びシリカゾルの等電点のpHを好適化することで、前述した課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 Conventional silica sols, when used as polishing compositions, especially when used as strongly acidic polishing compositions, have the problem of adversely affecting the dispersion state of silica particles and adversely affecting polishing. However, as a result of extensive research, the inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by optimizing the association ratio of silica particles and the pH of the isoelectric point of the silica sol, and have thus completed the present invention.
即ち、本発明の要旨は、以下の通りである。
[1]前記DLS法により測定した平均2次粒子径/BET法により測定した平均1次粒子径で算出される会合比が4以下であるシリカ粒子を含み、等電点がpH2.4以下である、シリカゾル。
[2]等電点がpH2.0以下である、[1]に記載のシリカゾル。
[3]前記シリカ粒子のcv値が10~50である、[1]又は[2]に記載のシリカゾル。
[4]前記シリカ粒子の平均2次粒子径が10nm~150nmである、[1]~[3]のいずれかに記載のシリカゾル。
[5]前記シリカ粒子の平均1次粒子径が5nm~75nmである、[1]~[4]のいずれかに記載のシリカゾル。
[6]アルカリ触媒の含有率が10ppm以下である、[1]~[5]のいずれかに記載のシリカゾル。
[7]金属不純物含有率が1ppm以下である、[1]~[6]のいずれかに記載のシリカゾル。
[8]前記シリカ粒子がテトラアルコキシシラン縮合物を主成分とする、[1]~[7]のいずれかに記載のシリカゾル。
[9]前記テトラアルコキシシラン縮合物がテトラメトキシシラン縮合物を含む、[8]に記載のシリカゾル。
[10]前記シリカ粒子の含有率が、シリカゾル全量中、3質量%~50質量%である、[1]~[9]のいずれかに記載のシリカゾル。
[11]シリカゾルを180℃以上で2時間以上加熱する工程を含む、[1]~[10]のいずれかに記載のシリカゾルの製造方法。
[12]前記加熱前にシリカゾルのアンモニアの含有率を10ppm以下にする工程を含む、[11]に記載のシリカゾルの製造方法。
[13][1]~[10]のいずれかに記載のシリカゾルを含む、研磨組成物。
[14][13]に記載の研磨組成物を用いて研磨する、研磨方法。
[15][13]に記載の研磨組成物を用いて研磨する工程を含む、半導体デバイスの製造方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] A silica sol comprising silica particles having an association ratio calculated by the average secondary particle diameter measured by the DLS method/average primary particle diameter measured by the BET method of 4 or less, and having an isoelectric point of pH 2.4 or less.
[2] The silica sol according to [1], having an isoelectric point of pH 2.0 or less.
[3] The silica sol according to [1] or [2], wherein the cv value of the silica particles is 10 to 50.
[4] The silica sol according to any one of [1] to [3], wherein the average secondary particle diameter of the silica particles is 10 nm to 150 nm.
[5] The silica sol according to any one of [1] to [4], wherein the average primary particle diameter of the silica particles is 5 nm to 75 nm.
[6] The silica sol according to any one of [1] to [5], wherein the content of the alkali catalyst is 10 ppm or less.
[7] The silica sol according to any one of [1] to [6], having a metal impurity content of 1 ppm or less.
[8] The silica sol according to any one of [1] to [7], wherein the silica particles are mainly composed of a tetraalkoxysilane condensate.
[9] The silica sol according to [8], wherein the tetraalkoxysilane condensate contains a tetramethoxysilane condensate.
[10] The silica sol according to any one of [1] to [9], wherein the content of the silica particles is 3% by mass to 50% by mass based on the total amount of the silica sol.
[11] The method for producing a silica sol according to any one of [1] to [10], comprising a step of heating the silica sol at 180° C. or higher for 2 hours or more.
[12] The method for producing a silica sol according to [11], further comprising a step of reducing the ammonia content of the silica sol to 10 ppm or less before the heating.
[13] A polishing composition comprising the silica sol according to any one of [1] to [10].
[14] A polishing method comprising polishing using the polishing composition according to [13].
[15] A method for producing a semiconductor device, comprising a step of polishing with the polishing composition according to [13].
本発明のシリカゾルは、シリカ粒子の分散状態を維持した強酸性の研磨組成物を得ることができる。また、本発明のシリカゾルは、加熱前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化が少なく、シリカ粒子の分散状態を維持した強酸性の研磨組成物を得ることができる。更に、本発明の研磨組成物は、強酸性としても、シリカ粒子の分散状態を維持することができ、研磨性能に優れる。 The silica sol of the present invention can provide a strongly acidic polishing composition that maintains the dispersed state of silica particles. In addition, the silica sol of the present invention has little change in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles before and after heating, and can provide a strongly acidic polishing composition that maintains the dispersed state of silica particles. Furthermore, the polishing composition of the present invention can maintain the dispersed state of silica particles even when it is strongly acidic, and has excellent polishing performance.
以下に本発明について詳述するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更して実施することができる。尚、本明細書において「~」という表現を用いる場合、その前後の数値又は物性値を含む表現として用いる。 The present invention is described in detail below, but is not limited to the following embodiments and can be modified and implemented in various ways within the scope of the gist. In this specification, when the expression "~" is used, it is used as an expression including the numerical values or physical property values before and after it.
本発明のシリカゾルは、DLS法により測定した平均2次粒子径/BET法により測定した平均1次粒子径で算出される会合比が4以下であるシリカ粒子を含み、等電点がpH2.4以下である。 The silica sol of the present invention contains silica particles having an association ratio calculated by the average secondary particle size measured by the DLS method/average primary particle size measured by the BET method of 4 or less, and has an isoelectric point of pH 2.4 or less.
本発明のシリカゾルは、シリカ粒子及び分散媒を含むことが好ましい。 The silica sol of the present invention preferably contains silica particles and a dispersion medium.
(シリカ粒子)
本発明に係るシリカ粒子の平均1次粒子径は、5nm~75nmが好ましく、10nm~60nmがより好ましい。シリカ粒子の平均1次粒子径が5nm以上であると、シリカゾルの保存安定性に優れる。また、シリカ粒子の平均1次粒子径が75nm以下であると、被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、シリカ粒子の沈降を抑制することができる。
(Silica Particles)
The average primary particle size of the silica particles according to the present invention is preferably 5 nm to 75 nm, more preferably 10 nm to 60 nm. When the average primary particle size of the silica particles is 5 nm or more, the storage stability of the silica sol is excellent. Furthermore, when the average primary particle size of the silica particles is 75 nm or less, the surface roughness and scratches of the polished object can be reduced, and the sedimentation of the silica particles can be suppressed.
シリカ粒子の平均1次粒子径は、BET法により測定する。具体的には、比表面積自動測定装置を用いてシリカ粒子の比表面積を測定し、下記式(1)を用いて平均1次粒子径を算出する。
平均1次粒子径(nm)=6000/(比表面積(m2/g)×密度(g/cm3))
・・・ (1)
The average primary particle diameter of the silica particles is measured by the BET method. Specifically, the specific surface area of the silica particles is measured using an automatic specific surface area measuring device, and the average primary particle diameter is calculated using the following formula (1).
Average primary particle diameter (nm) = 6000/(specific surface area (m 2 /g) x density (g/cm 3 ))
... (1)
本発明に係るシリカ粒子の平均1次粒子径は、公知の条件・方法により、所望の範囲に設定することができる。 The average primary particle size of the silica particles according to the present invention can be set within the desired range using known conditions and methods.
本発明に係るシリカ粒子の平均2次粒子径は、10nm~150nmが好ましく、20nm~100nmがより好ましい。シリカ粒子の平均2次粒子径が10nm以上であると、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れ、シリカゾルの保存安定性に優れる。シリカ粒子の平均2次粒子径が150nm以下であると、研磨時の被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れ、シリカ粒子の沈降を抑制することができる。 The average secondary particle diameter of the silica particles according to the present invention is preferably 10 nm to 150 nm, and more preferably 20 nm to 100 nm. When the average secondary particle diameter of the silica particles is 10 nm or more, the removability of particles and the like during cleaning after polishing is excellent, and the storage stability of the silica sol is excellent. When the average secondary particle diameter of the silica particles is 150 nm or less, the surface roughness and scratches of the polished object during polishing can be reduced, the removability of particles and the like during cleaning after polishing can be excellent, and sedimentation of the silica particles can be suppressed.
シリカ粒子の平均2次粒子径は、DLS法(動的光散乱法)により測定する。具体的には、動的光散乱粒子径測定装置を用いて測定する。 The average secondary particle size of silica particles is measured by the DLS method (dynamic light scattering method). Specifically, it is measured using a dynamic light scattering particle size measuring device.
シリカ粒子の平均2次粒子径は、公知の条件・方法により、所望の範囲に設定することができる。 The average secondary particle size of the silica particles can be set within the desired range using known conditions and methods.
本発明に係るシリカ粒子のcv値は、10~50が好ましく、15~40がより好ましく、20~35が更に好ましい。シリカ粒子のcv値が10以上であると、被研磨体に対する研磨レートに優れ、被研磨体の生産性に優れる。また、シリカ粒子のcv値が50以下であると、研磨時の被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、研磨後の洗浄における粒子等の除去性に優れる。 The cv value of the silica particles according to the present invention is preferably 10 to 50, more preferably 15 to 40, and even more preferably 20 to 35. When the cv value of the silica particles is 10 or more, the polishing rate for the object to be polished is excellent, and the productivity of the object to be polished is excellent. Furthermore, when the cv value of the silica particles is 50 or less, the surface roughness and scratches of the object to be polished during polishing can be reduced, and the ability to remove particles and the like during cleaning after polishing is excellent.
シリカ粒子のcv値は、動的光散乱粒子径測定装置を用いてシリカ粒子の平均2次粒子径を測定し、下記式(2)を用いて算出する。
cv値=(標準偏差(nm)/平均2次粒子径(nm))×100 ・・・ (2)
The cv value of the silica particles is calculated using the following formula (2) by measuring the average secondary particle diameter of the silica particles using a dynamic light scattering particle diameter measuring device.
cv value=(standard deviation (nm)/average secondary particle diameter (nm))×100 (2)
本発明に係るシリカ粒子の会合比は、4以下であり、1~4が好ましく、1.1~3がより好ましく、1.2~2が更に好ましい。シリカ粒子の会合比が4以下であると、研磨時の被研磨体の表面粗さや傷を低減でき、シリカ粒子の凝集を抑制することができる。また、シリカ粒子の会合比が1以上であると、被研磨体に対する研磨レートに優れ、被研磨体の生産性に優れる。 The association ratio of the silica particles according to the present invention is 4 or less, preferably 1 to 4, more preferably 1.1 to 3, and even more preferably 1.2 to 2. When the association ratio of the silica particles is 4 or less, the surface roughness and scratches on the object to be polished during polishing can be reduced, and the aggregation of the silica particles can be suppressed. Furthermore, when the association ratio of the silica particles is 1 or more, the polishing rate for the object to be polished is excellent, and the productivity of the object to be polished is excellent.
シリカ粒子の会合比は、前述の測定方法にて測定した平均1次粒子径と前述の測定方法にて測定した平均2次粒子径とから、下記式(3)を用いて算出する。
会合比=平均2次粒子径/平均1次粒子径 ・・・ (3)
The association ratio of the silica particles is calculated from the average primary particle diameter measured by the above-mentioned measuring method and the average secondary particle diameter measured by the above-mentioned measuring method, using the following formula (3).
Association ratio = average secondary particle diameter / average primary particle diameter ... (3)
本発明に係るシリカ粒子の形状としては、例えば、球状、鎖状、繭状(こぶ状や落花生状とも称される)、異形状(例えば、疣状、屈曲状、分岐状等)等が挙げられる。これらのシリカ粒子の形状の中でも、研磨時の被研磨体の表面粗さや傷を低減させたい場合は、球状が好ましく、被研磨体に対する研磨レートをより高めたい場合は、異形状が好ましい。 Examples of the shape of the silica particles according to the present invention include spherical, chain-like, cocoon-like (also called lump-like or peanut-like), irregular shapes (for example, wart-like, bent, branched, etc.). Among these silica particle shapes, spherical shapes are preferred when it is desired to reduce the surface roughness and scratches on the object to be polished during polishing, and irregular shapes are preferred when it is desired to increase the polishing rate for the object to be polished.
本発明に係るシリカ粒子は、機械的強度、保存安定性に優れることから、細孔を有しないことが好ましい。
シリカ粒子の細孔の有無は、窒素を吸着ガスとした吸着等温線を用いたBET多点法解析により確認する。
The silica particles according to the present invention preferably have no pores, since they have excellent mechanical strength and storage stability.
The presence or absence of pores in the silica particles is confirmed by a multipoint BET analysis using an adsorption isotherm with nitrogen as the adsorption gas.
本発明に係るシリカ粒子は、機械的強度、保存安定性に優れることから、アルコキシシラン縮合物を主成分とすることが好ましく、テトラアルコキシシラン縮合物を主成分とすることがより好ましい。主成分とは、シリカ粒子を構成する全成分100質量%中、50質量%以上であることをいう。
アルコキシシラン縮合物を主成分とするシリカ粒子を得るためには、アルコキシシランを主原料とすることが好ましい。テトラアルコキシシラン縮合物を主成分とするシリカ粒子を得るためには、テトラアルコキシシランを主原料とすることが好ましい。主原料とは、シリカ粒子を構成する全原料100質量%中、50質量%以上であることをいう。
The silica particles according to the present invention preferably contain an alkoxysilane condensate as the main component, and more preferably a tetraalkoxysilane condensate as the main component, because they have excellent mechanical strength and storage stability. The main component means that the silica particles contain 50% by mass or more of the total components constituting the silica particles (100% by mass).
In order to obtain silica particles mainly composed of alkoxysilane condensates, it is preferable to use alkoxysilane as the main raw material. In order to obtain silica particles mainly composed of tetraalkoxysilane condensates, it is preferable to use tetraalkoxysilane as the main raw material. The main raw material means that the main raw material is 50% by mass or more out of 100% by mass of all raw materials constituting the silica particles.
(シリカ粒子の製造方法)
本発明に係るシリカ粒子を製造する方法としては、シリカゾルの金属不純物含有率を低減させることができることから、テトラアルコキシシランを加水分解反応及び縮合反応させる方法が好ましく、加水分解反応及び縮合反応を制御しやすいことから、水を含む溶液(A)に、テトラアルコキシシランを含む溶液(B)及びアルカリ触媒を含む溶液(C)を添加し、テトラアルコキシシランを加水分解反応及び縮合反応させる方法が好ましい。
(Method for producing silica particles)
As a method for producing the silica particles according to the present invention, a method in which tetraalkoxysilane is subjected to hydrolysis reaction and condensation reaction is preferred, since the metal impurity content of the silica sol can be reduced, and a method in which a solution containing tetraalkoxysilane (B) and a solution containing an alkali catalyst (C) are added to a solution containing water (A), and the tetraalkoxysilane is subjected to hydrolysis reaction and condensation reaction is preferred, since the hydrolysis reaction and condensation reaction are easy to control.
溶液(A)は、水を含む。 Solution (A) contains water.
溶液(A)は、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れることから、水以外の溶媒を含むことが好ましい。
溶液(A)中の水以外の溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン;酢酸エチル等のエステル等が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの溶媒の中でも、テトラアルコキシシランを溶解しやすく、加水分解反応及び縮合反応で用いるものと副生するものとが同一で、製造上の利便性に優れることから、アルコールが好ましく、メタノール、エタノールがより好ましく、メタノールが更に好ましい。
It is preferable that the solution (A) contains a solvent other than water, since this provides excellent dispersibility of the tetraalkoxysilane in the reaction liquid.
Examples of the solvent other than water in the solution (A) include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and ethylene glycol; ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; and esters such as ethyl acetate. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among these solvents, alcohols are preferred, more preferably methanol and ethanol, and even more preferably methanol, because they are easy to dissolve tetraalkoxysilane, the by-products are the same as those used in the hydrolysis reaction and the condensation reaction, and they are convenient to manufacture.
溶液(A)は、テトラアルコキシシランの加水分解反応及び縮合反応の反応速度を高めることができることから、アルカリ触媒を含むことが好ましい。
溶液(A)中のアルカリ触媒としては、例えば、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アンモニア、尿素、エタノールアミン、テトラメチル水酸化アンモニウム等が挙げられる。これらのアルカリ触媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのアルカリ触媒の中でも、触媒作用に優れ、粒子形状を制御しやすく、金属不純物の混入を抑制することができ、揮発性が高く加水分解反応及び縮合反応後の除去性に優れることから、アンモニアが好ましい。
The solution (A) preferably contains an alkali catalyst, since this can increase the reaction rates of the hydrolysis reaction and condensation reaction of the tetraalkoxysilane.
Examples of the alkali catalyst in the solution (A) include ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetraamine, ammonia, urea, ethanolamine, tetramethylammonium hydroxide, etc. These alkali catalysts may be used alone or in combination of two or more. Among these alkali catalysts, ammonia is preferred because it has excellent catalytic action, is easy to control the particle shape, can suppress the inclusion of metal impurities, is highly volatile, and is easy to remove after the hydrolysis reaction and the condensation reaction.
溶液(A)中の水の濃度は、溶液(A)100質量%中、3質量%~30質量%が好ましく、5質量%~25質量%がより好ましい。溶液(A)中の水の濃度が上記下限値以上であると、テトラアルコキシシランの加水分解反応速度を制御しやすい。また、溶液(A)中の水の濃度が上記上限値以下であると、加水分解反応と縮合反応との反応バランスがよく、粒子形状を制御しやすい。 The concentration of water in solution (A) is preferably 3% by mass to 30% by mass, and more preferably 5% by mass to 25% by mass, based on 100% by mass of solution (A). When the concentration of water in solution (A) is equal to or greater than the lower limit, it is easy to control the hydrolysis reaction rate of tetraalkoxysilane. Furthermore, when the concentration of water in solution (A) is equal to or less than the upper limit, the reaction balance between the hydrolysis reaction and the condensation reaction is good, and the particle shape is easy to control.
溶液(A)中のアルカリ触媒の濃度は、溶液(A)100質量%中、0.5質量%~2.0質量%が好ましく、0.6質量%~1.5質量%がより好ましい。溶液(A)中のアルカリ触媒の濃度が上記下限値以上であると、シリカ粒子の凝集を抑制し、得られる分散液中のシリカ粒子の分散安定性に優れる。また、溶液(A)中のアルカリ触媒の濃度が上記上限値以下であると、反応が過度に速く進行せず、反応制御性に優れる。 The concentration of the alkali catalyst in solution (A) is preferably 0.5% by mass to 2.0% by mass, and more preferably 0.6% by mass to 1.5% by mass, based on 100% by mass of solution (A). When the concentration of the alkali catalyst in solution (A) is equal to or greater than the lower limit, aggregation of silica particles is suppressed, and the dispersion stability of the silica particles in the resulting dispersion is excellent. When the concentration of the alkali catalyst in solution (A) is equal to or less than the upper limit, the reaction does not proceed excessively quickly, and reaction control is excellent.
溶液(A)中の水以外の溶媒の濃度は、水とアルカリ触媒の残部とすることが好ましい。 The concentration of the solvent other than water in solution (A) is preferably the balance of water and the alkali catalyst.
溶液(B)は、テトラアルコキシシランを含む。
溶液(B)中のテトラアルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン等のアルコキシ基の炭素数が1~12のテトラアルコキシシランが挙げられる。これらのテトラアルコキシシランは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのテトラアルコキシシランの中でも、加水分解反応が速く、未反応物が残留し難く、生産性に優れ、安定なシリカゾルを容易に得ることができることから、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが好ましく、テトラメトキシシランがより好ましい。
The solution (B) contains a tetraalkoxysilane.
Examples of the tetraalkoxysilane in solution (B) include tetraalkoxysilanes having an alkoxy group with 1 to 12 carbon atoms, such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, and tetraisopropoxysilane. These tetraalkoxysilanes may be used alone or in combination of two or more. Among these tetraalkoxysilanes, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are preferred, and tetramethoxysilane is more preferred, because they undergo a fast hydrolysis reaction, are less likely to leave unreacted substances, are highly productive, and can easily produce a stable silica sol.
シリカ粒子の原料は、テトラアルコキシシランの低縮合物等のテトラアルコキシシラン以外の原料を用いてもよいが、反応性に優れることから、シリカ粒子を構成する全原料100質量%中、テトラアルコキシシランが50質量%以上で、テトラアルコキシシラン以外の原料が50質量%以下であることが好ましく、テトラアルコキシシランが90質量%以上で、テトラアルコキシシラン以外の原料が10質量%以下であることがより好ましい。 The raw material for the silica particles may be a raw material other than tetraalkoxysilane, such as a low condensation product of tetraalkoxysilane. However, due to its excellent reactivity, it is preferable that, out of 100% by mass of all the raw materials constituting the silica particles, tetraalkoxysilane is 50% by mass or more and raw materials other than tetraalkoxysilane are 50% by mass or less, and it is even more preferable that tetraalkoxysilane is 90% by mass or more and raw materials other than tetraalkoxysilane are 10% by mass or less.
溶液(B)は、溶媒を含まずテトラアルコキシシランのみでもよいが、反応液中でのテトラアルコキシシランの分散性に優れることから、溶媒を含むことが好ましい。
溶液(B)中の溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン;酢酸エチル等のエステル等が挙げられる。が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの溶媒の中でも、加水分解反応及び縮合反応で用いるものと副生するものとが同一で、製造上の利便性に優れることから、アルコールが好ましく、メタノール、エタノールがより好ましく、メタノールが更に好ましい。
The solution (B) may contain only tetraalkoxysilane without containing a solvent, but it is preferable that the solution (B) contains a solvent, since this improves the dispersibility of the tetraalkoxysilane in the reaction liquid.
Examples of the solvent in the solution (B) include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and ethylene glycol; ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; and esters such as ethyl acetate. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among these solvents, alcohols are preferred, more preferably methanol and ethanol, and even more preferably methanol, because the solvents used in the hydrolysis reaction and the by-products are the same and are convenient to manufacture.
溶液(B)のテトラアルコキシシランの濃度は、溶液(B)100質量%中、60質量%~95質量%が好ましく、70質量%~90質量%がより好ましい。溶液(B)のテトラアルコキシシランの濃度が上記下限値以上であると、反応液が均一になりやすい。また、溶液(B)のテトラアルコキシシランの濃度が上記上限値以下であると、ゲル状物の生成を抑制することができる。 The concentration of tetraalkoxysilane in solution (B) is preferably 60% by mass to 95% by mass, and more preferably 70% by mass to 90% by mass, in 100% by mass of solution (B). When the concentration of tetraalkoxysilane in solution (B) is equal to or higher than the lower limit, the reaction solution tends to become homogeneous. Furthermore, when the concentration of tetraalkoxysilane in solution (B) is equal to or lower than the upper limit, the formation of a gel-like substance can be suppressed.
溶液(B)の溶媒の濃度は、溶液(B)100質量%中、5質量%~40質量%が好ましく、10質量%~30質量%がより好ましい。溶液(B)の溶媒の濃度が上記下限値以上であると、ゲル状物の生成を抑制することができる。また、溶液(B)の溶媒の濃度が上記上限値以下であると、反応液が均一になりやすい。 The concentration of the solvent in solution (B) is preferably 5% by mass to 40% by mass, and more preferably 10% by mass to 30% by mass, based on 100% by mass of solution (B). When the concentration of the solvent in solution (B) is equal to or higher than the lower limit, the formation of a gel-like substance can be suppressed. Furthermore, when the concentration of the solvent in solution (B) is equal to or lower than the upper limit, the reaction solution tends to become homogeneous.
溶液(A)の体積に対する時間当たりの溶液(B)の添加速度は、0.05kg/時間/L~1.3kg/時間/Lが好ましく、0.1kg/時間/L~0.8kg/時間/Lがより好ましい。溶液(B)の添加速度が上記下限値以上であると、シリカ粒子の生産性に優れる。また、溶液(B)の添加速度が上記上限値以下であると、ゲル状物の生成を抑制することができる。
ここで、「kg/時間/L」とは、溶液(A)1Lに対して、1時間当たりに添加する溶液(B)の質量(kg)を表す。
The addition rate of solution (B) per hour relative to the volume of solution (A) is preferably 0.05 kg/hour/L to 1.3 kg/hour/L, and more preferably 0.1 kg/hour/L to 0.8 kg/hour/L. When the addition rate of solution (B) is equal to or higher than the lower limit, the productivity of silica particles is excellent. When the addition rate of solution (B) is equal to or lower than the upper limit, the formation of a gel-like substance can be suppressed.
Here, "kg/hour/L" represents the mass (kg) of solution (B) added per hour to 1 L of solution (A).
溶液(C)は、アルカリ触媒を含む。
溶液(C)中のアルカリ触媒としては、例えば、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、アンモニア、尿素、エタノールアミン、テトラメチル水酸化アンモニウム等が挙げられる。これらのアルカリ触媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのアルカリ触媒の中でも、触媒作用に優れ、粒子形状を制御しやすく、金属不純物の混入を抑制することができ、揮発性が高く加水分解反応及び縮合反応後の除去性に優れることから、アンモニアが好ましい。
The solution (C) contains an alkali catalyst.
Examples of the alkali catalyst in the solution (C) include ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetraamine, ammonia, urea, ethanolamine, tetramethylammonium hydroxide, etc. These alkali catalysts may be used alone or in combination of two or more. Among these alkali catalysts, ammonia is preferred because it has excellent catalytic action, is easy to control the particle shape, can suppress the inclusion of metal impurities, is highly volatile, and is easy to remove after the hydrolysis reaction and the condensation reaction.
溶液(C)は、反応液中のアルカリ触媒の濃度の変動を小さくすることができることから、溶媒を含むことが好ましい。
溶液(C)中の溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの溶媒の中でも、加水分解反応及び縮合反応で用いるものと副生するものとが同一で、製造上の利便性に優れることから、水、アルコールが好ましく、水がより好ましい。
It is preferable that the solution (C) contains a solvent, since this can reduce fluctuations in the concentration of the alkali catalyst in the reaction liquid.
Examples of the solvent in the solution (C) include water, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and ethylene glycol. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among these solvents, water and alcohol are preferred, and water is more preferred, because the solvents used in the hydrolysis reaction and the solvents produced as by-products are the same, and therefore the convenience of production is excellent.
溶液(C)中のアルカリ触媒の濃度は、溶液(C)100質量%中、0.5質量%~10質量%が好ましく、1質量%~6質量%がより好ましい。溶液(C)中のアルカリ触媒の濃度が上記下限値以上であると、反応開始から反応終了まで反応液中のアルカリ触媒の濃度を調整しやすい。また、溶液(C)中のアルカリ触媒の濃度が上記上限値以下であると、反応液中のアルカリ触媒の濃度の変動を小さくすることができる。 The concentration of the alkaline catalyst in solution (C) is preferably 0.5% by mass to 10% by mass, and more preferably 1% by mass to 6% by mass, based on 100% by mass of solution (C). When the concentration of the alkaline catalyst in solution (C) is equal to or greater than the lower limit, it is easy to adjust the concentration of the alkaline catalyst in the reaction liquid from the start of the reaction to the end of the reaction. Furthermore, when the concentration of the alkaline catalyst in solution (C) is equal to or less than the upper limit, it is possible to reduce fluctuations in the concentration of the alkaline catalyst in the reaction liquid.
溶液(C)中の溶媒の濃度は、溶液(C)100質量%中、90質量%~99.5質量%が好ましく、94質量%~99質量%がより好ましい。溶液(C)中の溶媒の濃度が上記下限値以上であると、反応液中のアルカリ触媒の濃度の変動を小さくすることができる。また、溶液(C)中の溶媒の濃度が上記上限値以下であると、反応開始から反応終了まで反応液中のアルカリ触媒の濃度を調整しやすい。 The concentration of the solvent in solution (C) is preferably 90% by mass to 99.5% by mass, and more preferably 94% by mass to 99% by mass, based on 100% by mass of solution (C). When the concentration of the solvent in solution (C) is equal to or greater than the lower limit, the fluctuation in the concentration of the alkaline catalyst in the reaction liquid can be reduced. Furthermore, when the concentration of the solvent in solution (C) is equal to or less than the upper limit, the concentration of the alkaline catalyst in the reaction liquid can be easily adjusted from the start of the reaction to the end of the reaction.
溶液(A)の体積に対する時間当たりの溶液(C)の添加速度は、0.02kg/時間/L~0.5kg/時間/Lが好ましく、0.04kg/時間/L~0.3kg/時間/Lがより好ましい。溶液(C)の添加速度が上記下限値以上であると、シリカ粒子の生産性に優れる。また、溶液(C)の添加速度が上記上限値以下であると、ゲル状物の生成を抑制することができる。
ここで、「kg/時間/L」とは、溶液(A)1Lに対して、1時間当たりに添加する溶液(C)の質量(kg)を表す。
The addition rate of solution (C) per hour relative to the volume of solution (A) is preferably 0.02 kg/hour/L to 0.5 kg/hour/L, and more preferably 0.04 kg/hour/L to 0.3 kg/hour/L. When the addition rate of solution (C) is equal to or higher than the lower limit, the productivity of silica particles is excellent. When the addition rate of solution (C) is equal to or lower than the upper limit, the formation of a gel-like substance can be suppressed.
Here, "kg/hour/L" represents the mass (kg) of solution (C) added per hour to 1 L of solution (A).
溶液(B)及び溶液(C)の添加は、溶液(A)の液中に行うことが好ましい。溶液(B)及び溶液(C)を溶液(A)の液中に添加することで、アンモニアに代表される揮発性が高いアルカリ触媒を用いた場合、かつ、高い反応温度で加水分解反応及び縮合反応を進めたい場合に、反応液中での各成分の混合性が高まり、気中での異常反応を抑制できると共に、粒子径を制御しやすくなる。液中に添加するとは、液面以下に添加することをいい、例えば、溶液(B)の供給出口及び溶液(C)の供給出口を溶液(A)の液面以下とすることで、溶液(B)及び溶液(C)を溶液(A)の液中に添加することができる。 The addition of solutions (B) and (C) is preferably carried out into solution (A). By adding solutions (B) and (C) into solution (A), when a highly volatile alkaline catalyst such as ammonia is used and when the hydrolysis reaction and condensation reaction are to be carried out at a high reaction temperature, the mixing of the components in the reaction solution is improved, abnormal reactions in the air can be suppressed, and the particle size can be easily controlled. Adding into the liquid means adding below the liquid level. For example, by making the supply outlet for solution (B) and the supply outlet for solution (C) below the liquid level of solution (A), solutions (B) and (C) can be added into solution (A).
溶液(B)と溶液(C)の添加のタイミングは、同一であってもよく、交互のように異なっていてもよいが、反応組成の変動が少なく、操作が煩雑にならないことから、同一であることが好ましい。 The timing of adding solution (B) and solution (C) may be the same or may be different, such as alternating, but it is preferable that they are the same, since this reduces fluctuations in the reaction composition and makes the operation less complicated.
加水分解反応及び縮合反応の反応温度は、10℃~80℃が好ましく、20℃~65℃がより好ましい。反応温度が上記下限値以上であると、反応液中の溶媒の凝固を抑制することができる。また、反応温度が上記上限値以下であると、突沸や溶媒の揮発を抑制でき、反応液組成の変動を少なくすることができる。 The reaction temperature for the hydrolysis reaction and the condensation reaction is preferably 10°C to 80°C, and more preferably 20°C to 65°C. If the reaction temperature is equal to or higher than the lower limit, solidification of the solvent in the reaction solution can be suppressed. If the reaction temperature is equal to or lower than the upper limit, bumping and evaporation of the solvent can be suppressed, and fluctuations in the composition of the reaction solution can be reduced.
加水分解反応及び縮合反応の反応系内の水の濃度は、反応系内の全量100質量%中、3質量%~30質量%に維持することが好ましく、5質量%~25質量%に維持することがより好ましい。反応系内の水の濃度が上記下限値以上であると、テトラアルコキシシランの加水分解反応速度を制御しやすい。また、反応系内の水の濃度が上記上限値以下であると、加水分解反応と縮合反応との反応バランスがよく、粒子形状を制御しやすい。 The concentration of water in the reaction system for the hydrolysis reaction and the condensation reaction is preferably maintained at 3% to 30% by mass, and more preferably at 5% to 25% by mass, based on the total amount of the reaction system (100% by mass). When the concentration of water in the reaction system is equal to or higher than the lower limit, it is easy to control the hydrolysis reaction rate of the tetraalkoxysilane. Furthermore, when the concentration of water in the reaction system is equal to or lower than the upper limit, the reaction balance between the hydrolysis reaction and the condensation reaction is good, and the particle shape is easy to control.
加水分解反応及び縮合反応の反応系内のアルカリ触媒の濃度は、反応系内の全量100質量%中、0.5質量%~2.0質量%に維持することが好ましく、0.6質量%~1.5質量%に維持することがより好ましい。反応系内のアルカリ触媒の濃度が下限値以上であると、シリカ粒子の凝集を抑制し、分散液中のシリカ粒子の分散安定性に優れる。また、反応系内のアルカリ触媒の濃度が上記上限値以下であると、反応が過度に速く進行せず、反応制御性に優れる。 The concentration of the alkali catalyst in the reaction system for the hydrolysis reaction and the condensation reaction is preferably maintained at 0.5% to 2.0% by mass, and more preferably at 0.6% to 1.5% by mass, based on the total amount in the reaction system (100% by mass). When the concentration of the alkali catalyst in the reaction system is equal to or higher than the lower limit, aggregation of the silica particles is suppressed, and the dispersion stability of the silica particles in the dispersion is excellent. Furthermore, when the concentration of the alkali catalyst in the reaction system is equal to or lower than the upper limit, the reaction does not proceed excessively quickly, and reaction control is excellent.
本発明に係るシリカ粒子の製造方法は、不必要な成分を除去し、必要な成分を添加することができることから、更に、上記加水分解反応及び縮合反応工程後に、得られたシリカ粒子の分散液を濃縮し、分散媒を添加する工程を含むことが好ましい。 The method for producing silica particles according to the present invention can remove unnecessary components and add necessary components, and therefore preferably further includes a step of concentrating the obtained dispersion of silica particles and adding a dispersion medium after the above hydrolysis reaction and condensation reaction steps.
シリカ粒子の分散液の濃縮と分散媒の添加とはいずれを先に行ってもよく、同時に行ってもよい。 The silica particle dispersion may be concentrated first, or the dispersion medium may be added at the same time.
シリカ粒子の分散液を濃縮する方法は特に限定されず、例えば、加熱濃縮法、膜濃縮法等が挙げられる。
加熱濃縮法によってシリカ粒子の分散液を濃縮するには、分散液を常圧下又は減圧下で加熱濃縮すればよい。
膜濃縮法によってシリカ粒子の分散液を濃縮するには、限外濾過法による膜分離が好ましい。ここで用いる限外濾過膜の分画分子量は、分散液中のシリカ粒子の粒子径に合わせて選択する。
限外濾過膜の材質としては、例えば、ポリスルホン、ポリアクリルニトリル、焼結金属、セラミック、カーボン等が挙げられる。限外濾過膜の形態としては、例えば、スパイラル型、チューブラー型、中空糸型等が挙げられる。
The method for concentrating the dispersion of silica particles is not particularly limited, and examples thereof include a heat concentration method and a membrane concentration method.
In order to concentrate the dispersion of silica particles by the heat concentration method, the dispersion may be heated and concentrated under normal pressure or reduced pressure.
To concentrate a dispersion of silica particles by the membrane concentration method, membrane separation by ultrafiltration is preferred. The molecular weight cutoff of the ultrafiltration membrane used here is selected according to the particle size of the silica particles in the dispersion.
Examples of the material of the ultrafiltration membrane include polysulfone, polyacrylonitrile, sintered metal, ceramic, carbon, etc. Examples of the form of the ultrafiltration membrane include spiral type, tubular type, hollow fiber type, etc.
また、シリカ粒子の分散液に添加する分散媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール等が挙げられる。これらの分散媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの分散媒の中でも、シリカ粒子との親和性に優れることから、水、アルコールが好ましく、水がより好ましい。 Examples of the dispersion medium to be added to the dispersion liquid of silica particles include water, and alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and ethylene glycol. These dispersion media may be used alone or in combination of two or more. Among these dispersion media, water and alcohol are preferred, and water is more preferred, because they have excellent affinity with silica particles.
(シリカゾル)
本発明のシリカゾルは、等電点がpH2.4以下である。本発明のシリカゾルの等電点はpH0~2.2が好ましく、pH0.1~2.0がより好ましい。等電点がpH2.4以下であると、強酸性の研磨組成物中のシリカ粒子の分散性に優れる。また、等電点がpH0以上であると、シリカゾルの製造が容易となる。
シリカゾルの等電点のpHは、25℃の条件で、ゼータ電位測定装置を用いて測定する。
(Silica sol)
The silica sol of the present invention has an isoelectric point of pH 2.4 or less. The isoelectric point of the silica sol of the present invention is preferably pH 0 to 2.2, more preferably pH 0.1 to 2.0. When the isoelectric point is pH 2.4 or less, the dispersibility of silica particles in a strongly acidic polishing composition is excellent. In addition, when the isoelectric point is pH 0 or more, the production of the silica sol becomes easy.
The pH of the isoelectric point of the silica sol is measured at 25° C. using a zeta potential measuring device.
シリカゾル中の分散媒は、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール等が挙げられる。これらのシリカゾル中の分散媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのシリカゾル中の分散媒の中でも、シリカ粒子との親和性に優れることから、水、アルコールが好ましく、水がより好ましい。 Examples of the dispersion medium in the silica sol include water, and alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and ethylene glycol. These dispersion media in the silica sol may be used alone or in combination of two or more. Among these dispersion media in the silica sol, water and alcohol are preferred, and water is more preferred, because they have excellent affinity with the silica particles.
本発明のシリカゾル中のシリカ粒子の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、3質量%~50質量%が好ましく、4質量%~40質量%がより好ましく、5質量%~30質量%が更に好ましい。シリカゾル中のシリカ粒子の含有率が3質量%以上であると、被研磨体に対する研磨レートに優れる。また、シリカゾル中のシリカ粒子の含有率が50質量%以下であると、シリカゾルや研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルや研磨組成物の保存安定性に優れる。 The content of silica particles in the silica sol of the present invention is preferably 3% by mass to 50% by mass, more preferably 4% by mass to 40% by mass, and even more preferably 5% by mass to 30% by mass, based on the total amount of silica sol (100% by mass). When the content of silica particles in the silica sol is 3% by mass or more, the polishing rate for the object to be polished is excellent. Furthermore, when the content of silica particles in the silica sol is 50% by mass or less, aggregation of silica particles in the silica sol or polishing composition can be suppressed, and the storage stability of the silica sol or polishing composition is excellent.
本発明のシリカゾル中の分散媒の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、50質量%~97質量%が好ましく、60質量%~96質量%がより好ましく、70質量%~95質量%が更に好ましい。シリカゾル中の分散媒の含有率が50質量%以上であると、シリカゾルや研磨組成物中のシリカ粒子の凝集を抑制することができ、シリカゾルや研磨組成物の保存安定性に優れる。また、シリカゾル中の分散媒の含有率が97質量%以下であると、被研磨体に対する研磨レートに優れる。 The content of the dispersion medium in the silica sol of the present invention is preferably 50% by mass to 97% by mass, more preferably 60% by mass to 96% by mass, and even more preferably 70% by mass to 95% by mass, based on the total amount of the silica sol (100% by mass). When the content of the dispersion medium in the silica sol is 50% by mass or more, aggregation of silica particles in the silica sol or polishing composition can be suppressed, and the storage stability of the silica sol or polishing composition is excellent. Furthermore, when the content of the dispersion medium in the silica sol is 97% by mass or less, the polishing rate for the object to be polished is excellent.
シリカゾル中のシリカ粒子や分散媒の含有率は、得られたシリカ粒子の分散液中の成分のうち、不必要な成分を除去し、必要な成分を添加することで、所望の範囲に設定することができる。 The content of silica particles and dispersion medium in the silica sol can be set to the desired range by removing unnecessary components from the resulting dispersion of silica particles and adding necessary components.
本発明のシリカゾルは、シリカ粒子及び分散媒以外に、その性能を損なわない範囲において、必要に応じて、酸化剤、防腐剤、防黴剤、pH調整剤、pH緩衝剤、界面活性剤、キレート剤、抗菌殺生物剤等の他の成分を含んでもよい。
特に、シリカゾルの保存安定性に優れることから、シリカゾル中に抗菌殺生物剤を含ませることが好ましい。
In addition to the silica particles and the dispersion medium, the silica sol of the present invention may contain other components, such as an oxidizing agent, a preservative, an antifungal agent, a pH adjuster, a pH buffer, a surfactant, a chelating agent, and an antibacterial and biocide, as necessary, within the range that does not impair the performance of the silica sol.
In particular, it is preferable to include an antibacterial biocide in the silica sol, since this provides excellent storage stability of the silica sol.
抗菌殺生物剤としては、例えば、過酸化水素、アンモニア、第四級アンモニウム水酸化物、第四級アンモニウム塩、エチレンジアミン、グルタルアルデヒド、過酸化水素、p-ヒドロキシ安息香酸メチル、亜塩素酸ナトリウム等が挙げられる。これらの抗菌殺生物剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの抗菌殺生物剤の中でも、シリカゾルとの親和性に優れることから、過酸化水素が好ましい。
抗菌殺生物剤は、一般に殺菌剤と言われるものも含む。
Examples of antibacterial biocides include hydrogen peroxide, ammonia, quaternary ammonium hydroxide, quaternary ammonium salt, ethylenediamine, glutaraldehyde, hydrogen peroxide, methyl p-hydroxybenzoate, sodium chlorite, etc. These antibacterial biocides may be used alone or in combination of two or more. Among these antibacterial biocides, hydrogen peroxide is preferred because of its excellent affinity with silica sol.
Antimicrobial biocides also include those commonly referred to as germicides.
シリカゾル中の抗菌殺生物剤の含有率は、シリカゾル全量100質量%中、0.0001質量%~10質量%が好ましく、0.001質量%~1質量%がより好ましい。シリカゾル中の抗菌殺生物剤の含有率が0.0001質量%以上であると、シリカゾルの保存安定性に優れる。シリカゾル中の抗菌殺生物剤の含有率が10質量%以下であると、シリカゾルの本来の性能を損なわない。 The content of the antibacterial biocide in the silica sol is preferably 0.0001% to 10% by mass, and more preferably 0.001% to 1% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the silica sol. When the content of the antibacterial biocide in the silica sol is 0.0001% by mass or more, the storage stability of the silica sol is excellent. When the content of the antibacterial biocide in the silica sol is 10% by mass or less, the original performance of the silica sol is not impaired.
本発明のシリカゾルのpHは、6.0~8.0が好ましく、6.5~7.8がより好ましい。シリカゾルのpHが6.0以上であると、分散安定性に優れ、シリカ粒子の凝集を抑制することができる。また、シリカゾルのpHが8.0以下であると、シリカ粒子の溶解を防ぎ、長期間の保存安定性に優れる。
シリカゾルのpHは、アルカリ触媒を除去したり、pH調整剤を添加したりすることで、所望の範囲に設定することができる。
The pH of the silica sol of the present invention is preferably 6.0 to 8.0, more preferably 6.5 to 7.8. When the pH of the silica sol is 6.0 or more, the dispersion stability is excellent and the aggregation of the silica particles can be suppressed. Furthermore, when the pH of the silica sol is 8.0 or less, dissolution of the silica particles is prevented and the long-term storage stability is excellent.
The pH of the silica sol can be adjusted to a desired range by removing the alkaline catalyst or adding a pH adjuster.
本発明のシリカゾル中の金属不純物含有率は、1ppm以下が好ましく、0.4ppm以下がより好ましい。 The metal impurity content in the silica sol of the present invention is preferably 1 ppm or less, and more preferably 0.4 ppm or less.
半導体デバイスの研磨において、金属不純物が被研磨体の表面に付着、汚染することで、被研磨体の特性に悪影響を及ぼすと共に、被研磨体の内部に拡散して品質が劣化するため、このような被研磨体によって製造された半導体デバイスの性能が著しく低下する。
また、シリカゾル中でシリカ粒子と金属不純物とが共存すると、酸性を示す表面シラノール基と金属不純物とが配位的な相互作用が発生し、表面シラノール基の化学的性質(酸性度等)を変化させたり、シリカ粒子表面の立体的な環境(シリカ粒子の凝集のしやすさ等)を変化させたり、研磨レートに影響を及ぼす。
When polishing semiconductor devices, metal impurities adhere to and contaminate the surface of the object to be polished, adversely affecting the characteristics of the object and diffusing into the interior of the object to be polished, degrading its quality, resulting in a significant decrease in the performance of semiconductor devices manufactured using such objects.
Furthermore, when silica particles and metal impurities coexist in a silica sol, a coordinate interaction occurs between the acidic surface silanol groups and the metal impurities, changing the chemical properties (acidity, etc.) of the surface silanol groups and the three-dimensional environment of the silica particle surfaces (ease of aggregation of silica particles, etc.), thereby affecting the polishing rate.
シリカゾル中の金属不純物含有率は、高周波誘導結合プラズマ質量分析法(ICP-MS)により測定する。具体的には、シリカ粒子0.4g含むシリカゾルを正確に量り取り、硫酸とフッ酸を加え、加温、溶解、蒸発させ、残存した硫酸滴に総量が正確に10gとなるよう純水を加えて試験液を作成し、高周波誘導結合プラズマ質量分析装置を用いて測定する。対象の金属は、ナトリウム、カリウム、鉄、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、コバルト、クロム、銅、マンガン、鉛、チタン、銀、ニッケルとし、これらの金属の含有率の合計を金属不純物含有率とする。 The metal impurity content in silica sol is measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Specifically, an accurate amount of silica sol containing 0.4 g of silica particles is weighed out, sulfuric acid and hydrofluoric acid are added, and the mixture is heated, dissolved, and evaporated. Pure water is added to the remaining sulfuric acid droplets so that the total amount is exactly 10 g to create a test solution, which is then measured using an inductively coupled plasma mass spectrometer. The target metals are sodium, potassium, iron, aluminum, calcium, magnesium, zinc, cobalt, chromium, copper, manganese, lead, titanium, silver, and nickel, and the sum of the contents of these metals is the metal impurity content.
シリカゾル中の金属不純物含有率は、アルコキシシランを主原料として加水分解反応及び縮合反応を行ってシリカ粒子を得ることで、1ppm以下とすることができる。
水ガラス等の珪酸アルカリの脱イオンによる方法では、原料由来のナトリウム等が残存するため、シリカゾル中の金属不純物含有率を1ppm以下とすることが極めて困難である。
The content of metal impurities in silica sol can be reduced to 1 ppm or less by obtaining silica particles through hydrolysis and condensation reactions using alkoxysilane as a main raw material.
In the method of deionizing alkali silicate such as water glass, sodium and the like derived from the raw material remain, so it is extremely difficult to reduce the metal impurity content in the silica sol to 1 ppm or less.
本発明のシリカゾル中のアンモニア等のアルカリ触媒の含有率は、後述する加熱の前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化を少なくすることができることから、50ppm以下が好ましく、10ppm以下がより好ましい。 The content of an alkali catalyst such as ammonia in the silica sol of the present invention is preferably 50 ppm or less, and more preferably 10 ppm or less, since this can reduce the changes in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles before and after the heating described below.
シリカゾル中のアルカリ触媒の含有率は、シリカ粒子の製造後、後述する加熱の前にアルカリ触媒を除去することで、50ppm以下とすることができる。 The content of the alkaline catalyst in the silica sol can be reduced to 50 ppm or less by removing the alkaline catalyst after the silica particles are produced and before the heating described below.
(シリカゾルの製造方法)
本発明のシリカゾルの製造方法は、等電点がpH2.4以下のシリカゾルを得ることができることから、シリカゾルを180℃以上で2時間以上加熱する工程を含むことが好ましい。
(Method for producing silica sol)
The method for producing a silica sol of the present invention can obtain a silica sol having an isoelectric point of pH 2.4 or less, and therefore preferably includes a step of heating the silica sol at 180° C. or more for 2 hours or more.
加熱前のシリカゾルは、前述したシリカ粒子の分散液をそのまま用いてもよく、シリカ粒子の分散液中の成分のうち、不必要な成分の除去や必要な成分の添加をして製造してもよいが、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化を少なくすることができ、シリカゾルの分散安定性に優れることから、加熱前にシリカゾルのアンモニアの含有率を50ppm以下にすることが好ましく、10ppm以下にすることがより好ましい。
シリカゾルの加熱前にシリカゾルのアンモニアの含有率を50ppm以下にするには、前述の加熱濃縮等により、アンモニアを揮発させて除去する方法が挙げられる。
The silica sol before heating may be produced by using the above-mentioned dispersion liquid of silica particles as it is, or by removing unnecessary components from the components in the dispersion liquid of silica particles and adding necessary components. However, since changes in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles can be reduced and the dispersion stability of the silica sol is excellent, it is preferable to adjust the ammonia content of the silica sol to 50 ppm or less before heating, and more preferably 10 ppm or less.
In order to reduce the ammonia content of the silica sol to 50 ppm or less before heating the silica sol, the ammonia can be volatilized and removed by the above-mentioned heating and concentration or the like.
シリカゾルの加熱の温度は、180℃以上が好ましく、180℃~300℃が好ましく、190℃~250℃がより好ましい。加熱の温度が180℃以上であると、等電点がpH2.4以下のシリカゾルを得ることができる。また、加熱の温度が300℃以下であると、加熱の前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化を少なくすることができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。 The heating temperature of the silica sol is preferably 180°C or higher, more preferably 180°C to 300°C, and more preferably 190°C to 250°C. When the heating temperature is 180°C or higher, a silica sol with an isoelectric point of pH 2.4 or lower can be obtained. Furthermore, when the heating temperature is 300°C or lower, the changes in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles before and after heating can be reduced, and the dispersion stability of the silica sol is excellent.
加熱時の圧力は、1.0MPa以上が好ましく、1.0MPa~9.4MPaがより好ましく、1.3MPa~4.3MPaが更に好ましい。加熱時の圧力が1.0MPa以上であると、等電点がpH2.4以下のシリカゾルを得ることができる。また、加熱時の圧力が9.4MPa以下であると、加熱の前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化を少なくすることができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。
加圧は、密閉した状態でシリカゾルを分散媒の沸点以上に加熱すればよい。密閉した状態で水に分散させたシリカゾルを100℃以上に加熱した場合、圧力は、その温度の飽和水蒸気圧となる。
The pressure during heating is preferably 1.0 MPa or more, more preferably 1.0 MPa to 9.4 MPa, and even more preferably 1.3 MPa to 4.3 MPa. When the pressure during heating is 1.0 MPa or more, a silica sol having an isoelectric point of pH 2.4 or less can be obtained. When the pressure during heating is 9.4 MPa or less, the changes in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles before and after heating can be reduced, and the dispersion stability of the silica sol is excellent.
Pressurization can be achieved by heating the silica sol to a temperature equal to or higher than the boiling point of the dispersion medium in a sealed state. When the silica sol dispersed in water in a sealed state is heated to 100° C. or higher, the pressure becomes the saturated water vapor pressure at that temperature.
加熱の時間は、2時間以上が好ましく、2時間~10時間がより好ましく、4時間~8時間が更に好ましい。加熱の時間が2時間以上であると、等電点がpH2.4以下のシリカゾルを得ることができる。また、加熱の時間が10時間以下であると、加熱の前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化を少なくすることができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。 The heating time is preferably 2 hours or more, more preferably 2 to 10 hours, and even more preferably 4 to 8 hours. When the heating time is 2 hours or more, a silica sol having an isoelectric point of pH 2.4 or less can be obtained. Furthermore, when the heating time is 10 hours or less, the changes in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles before and after heating can be reduced, and the dispersion stability of the silica sol is excellent.
加熱は、加熱の前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化を少なくすることができ、シリカゾルの分散安定性に優れることから、水分散液中で行うことがより好ましい。 It is more preferable to carry out heating in an aqueous dispersion, since this can minimize changes in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles before and after heating, and this provides excellent dispersion stability of the silica sol.
加熱を水分散液中で行う際のpHは、6.0~8.0が好ましく、6.5~7.8がより好ましい。pHが6.0以上であると、シリカゾルのゲル化を抑制することができる。また、pHが8.0以下であると、シリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化を少なくすることができ、シリカゾルの分散安定性に優れる。 The pH when heating the aqueous dispersion is preferably 6.0 to 8.0, more preferably 6.5 to 7.8. If the pH is 6.0 or higher, gelation of the silica sol can be suppressed. Furthermore, if the pH is 8.0 or lower, changes in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles can be reduced, resulting in excellent dispersion stability of the silica sol.
(研磨組成物)
本発明の研磨組成物は、本発明のシリカゾルを含むものであり、必要に応じて、公知の各主成分を含んでもよい。
(Polishing composition)
The polishing composition of the present invention contains the silica sol of the present invention, and may contain known main components, if necessary.
本発明の研磨組成物は、強酸性にしてもシリカ粒子の分散状態を維持することができることから、酸で化学的に作用する研磨に好適に用いることができ、具体的には、シリコン酸化膜の化学的機械的研磨が好ましく、二酸化ケイ素膜の化学的機械的研磨がより好ましい。 The polishing composition of the present invention can maintain the dispersion state of silica particles even in a strongly acidic state, and therefore can be suitably used for polishing that is chemically acted on by acid. Specifically, chemical mechanical polishing of silicon oxide films is preferred, and chemical mechanical polishing of silicon dioxide films is even more preferred.
研磨組成物のpHは、シリカゾルの等電点のpHを勘案し、2.4以下が好ましく、
0~2.2がより好ましく、pH0.1~2.0が更に好ましい。研磨組成物のpHは、酸成分を添加することで、所望の範囲に設定することができる。
The pH of the polishing composition is preferably 2.4 or less, taking into consideration the pH of the isoelectric point of the silica sol.
The pH of the polishing composition is preferably 0 to 2.2, and more preferably 0.1 to 2.0. The pH of the polishing composition can be set to a desired range by adding an acid component.
本発明の研磨組成物は、本発明のシリカゾル、及び、必要に応じて、各種成分を混合することで得られるが、保管、運搬を考慮し、一旦高濃度で調製し、研磨直前に水等で希釈してもよい。 The polishing composition of the present invention can be obtained by mixing the silica sol of the present invention and, if necessary, various other components. However, taking into consideration storage and transportation, it may be prepared at a high concentration first and then diluted with water or the like immediately before polishing.
(研磨方法)
本発明の研磨方法は、本発明の研磨組成物を用いて研磨する方法である。
具体的な研磨の方法としては、例えば、被研磨体の表面を研磨パッドに押し付け、研磨パッド上に本発明の研磨組成物を滴下し、被研磨体の表面を研磨する方法が挙げられる。
(Polishing method)
The polishing method of the present invention is a method of polishing using the polishing composition of the present invention.
A specific example of the polishing method is a method in which the surface of the object to be polished is pressed against a polishing pad, the polishing composition of the present invention is dropped onto the polishing pad, and the surface of the object to be polished is polished.
(半導体デバイスの製造方法)
本発明の半導体デバイスの製造方法は、本発明の研磨組成物を用いて研磨する工程を含む方法であり、具体的な研磨方法は、前述した通りである。
(Method of manufacturing semiconductor devices)
The method for producing a semiconductor device of the present invention is a method comprising a step of polishing with the polishing composition of the present invention, and the specific polishing method is as described above.
(用途)
本発明のシリカゾルは、研磨用途に好適に用いることができ、例えば、シリコンウェハ等の半導体材料の研磨、ハードディスク基板等の電子材料の研磨、集積回路を製造する際の平坦化工程における研磨(化学的機械的研磨)、フォトマスクや液晶に用いる合成石英ガラス基板の研磨、磁気ディスク基板の研磨等に用いることができる。中でも化学的機械的研磨に特に好適に用いることができる。
(Application)
The silica sol of the present invention can be suitably used for polishing purposes, for example, polishing semiconductor materials such as silicon wafers, polishing electronic materials such as hard disk substrates, polishing in a planarization step in manufacturing integrated circuits (chemical mechanical polishing), polishing synthetic quartz glass substrates used for photomasks and liquid crystals, polishing magnetic disk substrates, etc. Among them, it can be particularly suitably used for chemical mechanical polishing.
以下、実施例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、以下の実施例の記載に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below using examples, but the present invention is not limited to the description of the following examples as long as it does not deviate from the gist of the invention.
(平均1次粒子径の測定)
実施例及び比較例で得られたシリカゾルを150℃で乾燥し、比表面積自動測定装置「BELSORP-MR1」(機種名、マイクロトラック・ベル株式会社)を用いて、シリカ粒子の比表面積を測定し、下記式(1)を用い、密度を2.2g/cm3とし、シリカ粒子の平均1次粒子径を算出した。
平均1次粒子径(nm)=6000/(比表面積(m2/g)×密度(g/cm3))
・・・ (1)
(Measurement of average primary particle size)
The silica sol obtained in each of the examples and comparative examples was dried at 150°C, and the specific surface area of the silica particles was measured using an automatic specific surface area measuring device "BELSORP-MR1" (model name, Microtrack BEL Co., Ltd.). The average primary particle size of the silica particles was calculated using the following formula (1), assuming the density to be 2.2 g/ cm3 .
Average primary particle diameter (nm) = 6000/(specific surface area (m 2 /g) x density (g/cm 3 ))
... (1)
(平均2次粒子径、cv値の測定)
実施例及び比較例で得られたシリカゾルを、動的光散乱粒子径測定装置「ゼーターサイザーナノZS」(機種名、マルバーン社製)を用いて、シリカ粒子の平均2次粒子径を測定し、下記式(2)を用いてcv値を算出した。
cv値=(標準偏差(nm)/平均2次粒子径(nm))×100 ・・・ (2)
(Measurement of average secondary particle size and cv value)
The average secondary particle size of the silica particles of the silica sols obtained in the examples and comparative examples was measured using a dynamic light scattering particle size measurement device "Zetersizer Nano ZS" (model name, manufactured by Malvern Instruments), and the cv value was calculated using the following formula (2).
cv value=(standard deviation (nm)/average secondary particle diameter (nm))×100 (2)
(会合比の算出)
測定した平均1次粒子径と平均2次粒子径とから、下記式(3)を用いて会合比を算出した。
会合比=平均2次粒子径/平均1次粒子径 ・・・ (3)
(Calculation of Association Ratio)
The association ratio was calculated from the measured average primary particle size and average secondary particle size using the following formula (3).
Association ratio = average secondary particle diameter / average primary particle diameter ... (3)
(等電点の測定)
実施例及び比較例で得られたシリカゾルを、25℃の条件で、ゼータ電位測定装置(機種名「ゼーターサイザーナノZS」、マルバーン社製)を用いて、シリカゾルの等電点のpHを測定した。
(Measurement of isoelectric point)
The isoelectric pH of the silica sol obtained in each of the examples and comparative examples was measured at 25° C. using a zeta potential measuring device (model name: Zetasizer Nano ZS, manufactured by Malvern Instruments).
[比較例1]
純水8.7質量部、メタノール74.6質量部及び29質量%アンモニア水3.6質量部を混合した溶液(A)の液中に、テトラメトキシシラン100質量部及びメタノール33.4質量部を混合した溶液(B)並びに純水37.4質量部及び29質量%アンモニア水5.7量部を混合した溶液(C)を、287分かけてそれぞれ等速で添加した。滴下中、反応液の温度を40℃に保ったまま、反応液の撹拌を続けた。滴下終了後、反応液の温度を40℃に保ったまま、更に反応液を30分間撹拌し、シリカ粒子の分散液を得た。
得られたシリカ粒子の分散液を、シリカ粒子の含有率が約20質量%になるように、液量を純水追加で調整しながら、分散媒の沸点付近まで温度を上げてメタノールとアンモニアの除去を行い、アンモニアが検出限界以下(10ppm以下)でシリカ粒子の含有率が約20質量%のシリカゾルAを得た。
得られたシリカゾルAの評価結果を、表1に示す。
[Comparative Example 1]
In the solution (A) of 8.7 parts by mass of pure water, 74.6 parts by mass of methanol, and 3.6 parts by mass of 29% by mass aqueous ammonia, a solution (B) of 100 parts by mass of tetramethoxysilane and 33.4 parts by mass of methanol and a solution (C) of 37.4 parts by mass of pure water and 5.7 parts by mass of 29% by mass aqueous ammonia were added at equal speeds over 287 minutes. During the dropwise addition, the reaction solution was stirred while maintaining the temperature at 40° C. After the dropwise addition, the reaction solution was stirred for another 30 minutes while maintaining the temperature at 40° C. to obtain a dispersion of silica particles.
The obtained dispersion of silica particles was adjusted in volume by adding pure water so that the silica particle content was approximately 20% by mass, and the temperature was raised to near the boiling point of the dispersion medium to remove methanol and ammonia, thereby obtaining silica sol A having a silica particle content of approximately 20% by mass and ammonia content below the detection limit (10 ppm or less).
The evaluation results of the obtained silica sol A are shown in Table 1.
[実施例1]
比較例1で得られたシリカゾルAを密閉容器に入れ、200℃で3時間加熱し、実施例1のシリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
[Example 1]
The silica sol A obtained in Comparative Example 1 was placed in a sealed container and heated at 200° C. for 3 hours to obtain the silica sol of Example 1.
The evaluation results of the obtained silica sol are shown in Table 1.
[実施例2、比較例2~10]
加熱温度、加熱時間を表1のように変更した以外は、実施例1と同様に操作し、それぞれ実施例2、及び比較例2~10のシリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
[Example 2, Comparative Examples 2 to 10]
The same procedure as in Example 1 was conducted except that the heating temperature and heating time were changed as shown in Table 1, to obtain silica sols of Example 2 and Comparative Examples 2 to 10, respectively.
The evaluation results of the obtained silica sol are shown in Table 1.
[比較例11]
純水22.5質量部、メタノール187.6質量部及び29質量%アンモニア水8.3質量部を混合した溶液(A)の液中に、テトラメトキシシラン100質量部及びメタノール33.4質量部を混合した溶液(B)並びに純水37.8質量部及び29質量%アンモニア水5.2量部を混合した溶液(C)を、109分かけてそれぞれ等速で添加した。滴下中、反応液の温度を31℃に保ったまま、反応液の撹拌を続けた。滴下終了後、反応液の温度を31℃に保ったまま、更に反応液を30分間撹拌し、シリカ粒子の分散液を得た。
得られたシリカ粒子の分散液を、シリカ粒子の含有率が約20質量%になるように、液量を純水追加で調整しながら、分散媒の沸点付近まで温度を上げてメタノールとアンモニアの除去を行い、アンモニアが検出限界以下(10ppm以下)でシリカ粒子の含有率が約20質量%のシリカゾルBを得た。
得られたシリカゾルBの評価結果を、表1に示す。
[Comparative Example 11]
In the solution (A) of 22.5 parts by mass of pure water, 187.6 parts by mass of methanol, and 8.3 parts by mass of 29% by mass aqueous ammonia, a solution (B) of 100 parts by mass of tetramethoxysilane and 33.4 parts by mass of methanol and a solution (C) of 37.8 parts by mass of pure water and 5.2 parts by mass of 29% by mass aqueous ammonia were added at equal speeds over 109 minutes. During the dropwise addition, the reaction solution was stirred while maintaining the temperature of the reaction solution at 31 ° C. After the dropwise addition, the reaction solution was further stirred for 30 minutes while maintaining the temperature of the reaction solution at 31 ° C. to obtain a dispersion of silica particles.
The obtained dispersion of silica particles was adjusted in volume by adding pure water so that the silica particle content was approximately 20% by mass, and the temperature was raised to near the boiling point of the dispersion medium to remove methanol and ammonia, thereby obtaining Silica Sol B having a silica particle content of approximately 20% by mass and ammonia content below the detection limit (10 ppm or less).
The evaluation results of the obtained silica sol B are shown in Table 1.
[実施例3]
比較例11で得られたシリカゾルBを密閉容器に入れ、200℃で5時間加熱し、実施例3のシリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
[Example 3]
The silica sol B obtained in Comparative Example 11 was placed in a sealed container and heated at 200° C. for 5 hours to obtain the silica sol of Example 3.
The evaluation results of the obtained silica sol are shown in Table 1.
[比較例12~13]
加熱温度、加熱時間を表1のように変更した以外は、実施例3と同様に操作し、それぞれ比較例12~13のシリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
[Comparative Examples 12 to 13]
The same procedure as in Example 3 was conducted except that the heating temperature and heating time were changed as shown in Table 1, to obtain silica sols of Comparative Examples 12 and 13, respectively.
The evaluation results of the obtained silica sol are shown in Table 1.
[比較例14]
純水11.6質量部、メタノール77.7質量部及び29質量%アンモニア水3.2質量部を混合した溶液(A)の液中に、テトラメトキシシラン100質量部及びメタノール33.2質量部を混合した溶液(B)並びに純水31.9質量部及び29質量%アンモニア水5.3量部を混合した溶液(C)を、225分かけてそれぞれ等速で添加した。滴下中、反応液の温度を37℃に保ったまま、反応液の撹拌を続けた。滴下終了後、反応液の温度を37℃に保ったまま、更に反応液を30分間撹拌し、シリカ粒子の分散液を得た。
得られたシリカ粒子の分散液を、シリカ粒子の含有率が約20質量%になるように、液量を純水追加で調整しながら、分散媒の沸点付近まで温度を上げてメタノールとアンモニアの除去を行い、アンモニアが検出限界以下(10ppm以下)でシリカ粒子の含有率が約20質量%のシリカゾルCを得た。
得られたシリカゾルCの評価結果を、表1に示す。
[Comparative Example 14]
In the solution (A) of 11.6 parts by mass of pure water, 77.7 parts by mass of methanol, and 3.2 parts by mass of 29% by mass aqueous ammonia, a solution (B) of 100 parts by mass of tetramethoxysilane and 33.2 parts by mass of methanol, and a solution (C) of 31.9 parts by mass of pure water and 5.3 parts by mass of 29% by mass aqueous ammonia were added at equal speeds over 225 minutes. During the dropwise addition, the reaction solution was stirred while maintaining the temperature at 37° C. After the dropwise addition, the reaction solution was stirred for another 30 minutes while maintaining the temperature at 37° C. to obtain a dispersion of silica particles.
The obtained dispersion of silica particles was adjusted in volume by adding pure water so that the silica particle content was approximately 20% by mass, and the temperature was raised to near the boiling point of the dispersion medium to remove methanol and ammonia, thereby obtaining silica sol C with a silica particle content of approximately 20% by mass and ammonia content below the detection limit (10 ppm or less).
The evaluation results of the obtained silica sol C are shown in Table 1.
[実施例4]
比較例14で得られたシリカゾルCを密閉容器に入れ、200℃で5時間加熱し、実施例4のシリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
[Example 4]
The silica sol C obtained in Comparative Example 14 was placed in a sealed container and heated at 200° C. for 5 hours to obtain the silica sol of Example 4.
The evaluation results of the obtained silica sol are shown in Table 1.
[比較例15]
市販のシリカゾル(商品名「PL-3」、扶桑化学工業株式会社製)をそのままシリカゾルDとして用いた。
用いたシリカゾルDの評価結果を、表1に示す。
[Comparative Example 15]
A commercially available silica sol (product name "PL-3", manufactured by Fuso Chemical Co., Ltd.) was used as it was as silica sol D.
The evaluation results of the silica sol D used are shown in Table 1.
[実施例5]
比較例15で用いたシリカゾルDを密閉容器に入れ、200℃で5時間加熱し、実施例5のシリカゾルを得た。
[Example 5]
The silica sol D used in Comparative Example 15 was placed in a sealed container and heated at 200° C. for 5 hours to obtain the silica sol of Example 5.
[比較例16~17]
加熱温度、加熱時間を表1のように変更した以外は、実施例5と同様に操作し、それぞれ比較例16~17のシリカゾルを得た。
得られたシリカゾルの評価結果を、表1に示す。
[Comparative Examples 16 to 17]
The same procedure as in Example 5 was conducted except that the heating temperature and heating time were changed as shown in Table 1, to obtain silica sols of Comparative Examples 16 and 17, respectively.
The evaluation results of the obtained silica sol are shown in Table 1.
表1から分かるように、シリカゾルの加熱前後でシリカ粒子の平均1次粒子径、平均2次粒子径、cv値、会合比の変化がほぼないことが確認できた。
また、実施例で得られたシリカゾルは、比較例で得られたシリカゾルと比較して、等電点のpHを下げることができた。そのため、実施例で得られたシリカゾルによれば、シリカ粒子の分散状態を維持した強酸性の研磨組成物を得ることができると考えられる。
As can be seen from Table 1, it was confirmed that there was almost no change in the average primary particle size, average secondary particle size, cv value, and association ratio of the silica particles before and after heating the silica sol.
In addition, the silica sol obtained in the embodiment can lower the pH of the isoelectric point compared with the silica sol obtained in the comparative example. Therefore, it is considered that the silica sol obtained in the embodiment can obtain a strongly acidic polishing composition that maintains the dispersion state of silica particles.
本発明のシリカゾルは、研磨用途に好適に用いることができる。例えば、シリコンウェハ等の半導体材料の研磨、ハードディスク基板等の電子材料の研磨、集積回路を製造する際の平坦化工程における研磨(化学的機械的研磨)、フォトマスクや液晶に用いる合成石英ガラス基板の研磨、磁気ディスク基板の研磨等に用いることができる。中でも化学的機械的研磨に特に好適に用いることができる。 The silica sol of the present invention can be suitably used for polishing purposes. For example, it can be used for polishing semiconductor materials such as silicon wafers, polishing electronic materials such as hard disk substrates, polishing in the planarization process when manufacturing integrated circuits (chemical mechanical polishing), polishing synthetic quartz glass substrates used in photomasks and liquid crystal displays, polishing magnetic disk substrates, etc. Among these, it can be particularly suitably used for chemical mechanical polishing.
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